泡沫混凝土弹塑性损伤模型在组合式防护结构中的应用

为了将新型泡沫混凝土动态弹塑性损伤模型应用到防护结构中,首先开展组合式防护结构预制孔装药爆炸试验;随后利用新泡沫混凝土材料模型对试验进行数值模拟验证,并将新模型的模拟结果与LS-DYNA中Soil and Foam模型的模拟结果进行对比;最后,基于验证的数值模型,开展以梯度泡沫混凝土作为分配层的组合式防护结构预制孔装药爆炸的数值模拟,探讨梯度泡沫混凝土层界面层数和排列方式对组合式防护结构抗爆性能的影响。结果表明,新泡沫混凝土材料模型的模拟结果与试验结果吻合良好,与Soil and Foam模型相比,新模型在应力波传播和损伤破坏方面预测更好,泡沫混凝土层界面层数和排列方式对作用在主体结构上的应力以及分配层的损伤破坏情况有一定的影响。

循环荷载作用下的混凝土弹塑性损伤本构模型及数值实现

该文建立了一种描述混凝土在循环荷载作用下复杂力学行为的弹塑性损伤模型。该模型借助四参数等效应变将复杂的多轴问题转换至单轴等效应变空间中求解,考虑了混凝土卸载过程中的刚度退化现象及不可逆变形。同时针对等效应变的非负特性,提出了拉压转换处理方法,从而在求解损伤变量时无需区分拉损伤和压损伤。该文提出的弹塑性损伤模型数学形式简洁,且实现过程不依赖于四参数模型,实现方法普遍适用于各类混凝土等效应变模型,通过模拟单轴循环荷载试验和Koyna大坝动态损伤过程,验证了该文模型的正确性与可靠性。

考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型及其数值实现

木结构在服役过程中可能遭遇地震作用,木材表现出明显的地震应变率敏感性,需要建立考虑地震应变率效应的木材非线性本构模型。文章系统梳理已有研究中木材在不同地震应变率水平、不同纹理方向的试验结果,分析其不同纹理方向考虑应变率影响的强度与弹性模量绝对值统计规律性,建立木材考虑地震应变率效应的强度与弹性模量地震应变率影响系数表征模型。在此基础上,基于连续介质损伤力学建立考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型,编写相应的UMAT子程序,并将其嵌入ABAQUS有限元软件中。采用所建立的弹塑性损伤本构模型对木材进行顺纹与横纹受压加载模拟,模型结果与试验结果吻合较好,验证了所建本构模型及UMAT子程序的正确性。研究成果可为木结构的抗震分析与评估提供更符合实际的本构模型支持。

浅议弹塑性损伤本构模型的完全隐式积分粘性正规化算法

损伤耦合弹塑性本构模型能够描述材料的性能退化行为,在工程中得到了广泛的应用。然而损伤内变量的引入增加了弹塑性本构模型的非线性。将损伤变量和塑性变量解耦,通过图形返回法和一系列代数处理,得到了只包含一个方程的迭代算法格式。然而,迭代速度和计算效率较低,本文通过引入粘性因子,提出了正则化的本构方程场变量积分格式和算法一致切线模量矩阵,验证了在保证计算精度的前提下,适当的粘性因子可以有效地提高迭代率。

岩土材料弹塑性损伤模型及变形局部化分析

常规的弹塑性模型由于没有考虑到损伤和塑性的耦合作用,难以模拟破坏时由于内部损伤的累积导致的变形局部化剪切带的形成过程,因而,不能很好地反映实际结构的细观破坏机理。作者采用一种宏细观结合的思路,基于细观损伤力学提出了一个适用于岩土材料弹塑性损伤模型,研究均质材料在外部环境作用下由于损伤和塑性的耦合导致的局部化剪切带的形成过程。对基体材料服从 Drucker-Prager 准则的球形孔洞体胞单元提出了一个塑性损伤屈服面,为了反映岩土材料在拉应力和压应力作用下不同的孔洞形成机理,分别采用了球形拉应力和塑性应变的成核机制来建立孔隙率的演化方程,根据塑性损伤屈服面和孔隙率的演化方程,导出了关联流动法则下的岩土材料塑性损伤本构方程。将笔者提出的岩土材料弹塑性损伤模型,通过用户子程序嵌入到大型商业有限元软件MRAC中。为了研究塑性和损伤的耦合作用,分别采用Gurson弹塑性损伤模型和Mises弹塑性模型,对Tvergaard关于自由表面有周期性分布微小形状缺陷的半无限大板在平面应变拉伸作用下剪切带的形成进行了数值模拟,计算结果表明弹塑性损伤本构模型在模拟变形局部化方面具有明显的优势。采用作者提出的岩土材料弹塑性损伤模型,对平面应力条件下有一个缺陷单元的均质岩土材料单轴受压试?

水泥土的弹塑性损伤试验研究

首先阐述了损伤理论中损伤变量的定义及其测定 ,并介绍了基本的损伤本构关系。然后通过对水泥土的弹塑性损伤试验 ,探讨了水泥土的损伤机制 ,并得到了一系列损伤关系曲线 ,为建立水泥土的弹塑性损伤模型奠定了基础。

岩盐弹塑性损伤耦合模型研究

岩盐力学模型是进行能源岩盐储存工程稳定性分析的基础,而损伤和塑性机制并存且相互耦合是岩盐力学行为的基本特点。采用云应岩盐,进行了多组围压条件下的三轴压缩试验,分析了不同围压下岩盐的变形特征。在试验分析的基础上,提出了一种能够描述岩盐特性的弹塑性损伤耦合的模型,该模型描述了岩盐损伤的演化和塑性变形的耦合关系,并引入了一种非关联的塑性流动法则来描述岩盐从塑性体积压缩到膨胀的转化。采用该模型对在三轴压缩下的岩盐应力-应变关系进行了模拟分析,并与试验数据进行了对比,结果表明该模型能够较好地描述岩盐的主要力学和变形特性。

三峡船闸高边坡开挖卸荷弹塑性损伤分析

本文建立了断续裂隙岩体的三维弹塑性损伤本构模型，并将该模型应用于三峡船闸高边坡，进行了边坡开挖弹塑性损伤三维非线性有限元计算，获得了一些有益的成果和结论．

混凝土重力坝动力弹塑性损伤安全评价

本文利用能考虑混凝土软化并可反映实际损伤耗散的模型,对结构进行动力损伤分析,用损伤量这一表明材料或结构渐进破坏的指标,并结合结构应力重分布,对大坝进行地震安全评价。对Koyna坝动力弹塑性损伤分析结果表明,大坝的最大拉应力、最大压应力和损伤分布与Koyna大坝实际破坏情况大致相符,验证了计算模型的有效性。将其应用于三峡大坝的一个非溢流断面,得到地震作用下的弹塑性损伤响应,并据此评价大坝结构的安全性能和超载潜能。研究表明,利用损伤力学进行混凝土重力坝安全评价将取得较合理的结果,损伤是除应力之外对结构安全评判的可信指标。

非均质热弹塑性损伤模型及其在油页岩地下开发热破裂分析中的应用

地下加热开发油页岩面临着储层渗透性极低或不渗透的难题,在油页岩层各井间形成渗透带关系到油页岩地下开发的成败,油页岩加热过程中的热力和化学作用是形成渗透带的重要条件。针对油页岩地下开发存在的上述问题,首先建立油页岩非均质热弹塑性损伤模型;然后较系统地给出确定损伤变量的方法,并将热膨胀系数、热传导性、比热、弹性模量、抗拉压强度等材料参数作为满足Weibull分布的随机变量,利用Matlab和Monte Carlo方法实现数值计算物性参数的随机赋值,对油页岩地下开发加热过程中热力破坏问题进行数值模拟。研究结果表明:组成油页岩各种矿物颗粒热膨胀和弹塑性性质的不同及其分布的随机性,导致油页岩加热过程中温度场、变形场和应力场的非均匀性,使得油页岩颗粒间变形不协调和油页岩热解产物释放引起油页岩材料与结构性能发生不可逆的劣化损伤,这是油页岩发生热破裂的主要原因;热传导方式加热油页岩,温度的传递比较缓慢,加热井和生产井的间距不宜过大,对油页岩储层性质存在差异时,注热井应选择较高热导率的区段;油页岩的层理对油页岩地下原位开发形成渗透带至关重要,油页岩达到热解温度会产生附加的膨胀力,首先在层理处开裂,应充分利用油页岩层理赋存条件改造其渗透性。

饱和和非饱和介质的弹塑性损伤模型

针对饱和和非饱和工程材料变形和强度特点，给出了一个具体的弹塑性损伤本构方程，该本构方程可以描述材料性质的劣化过程（即损伤和软化）以及饱和程度对材料变形强度特性的影响．此外，还讨论了该弹塑性损伤本构方程的有限元实施方法，编制了专用的有限元程序．对常规三轴试件进行了有限元分析。

基于混凝土弹塑性损伤本构模型的盾构管片受力分析

在混凝土弹塑性损伤本构模型的基础上,考虑盾构管片拼装块与连接螺栓的非连续性和拼装块之间的接触关系,建立三维非连续接触计算模型。以苏州某地铁盾构隧道工程为例,对盾构管片的受力状况进行模拟计算,并与惯用法模型和修正惯用法模型的计算结果进行对比分析。结果表明:盾构管片内拱顶K拼装块部分区域的损伤因子超过了损伤临界值,这些部位将产生明显可见的裂缝;盾构管片拱顶与拱底内侧的受拉区域均产生了塑性变形,拱顶K拼装块的塑性区深度达到截面宽度的55%;盾构管片最大内力组合在两侧拱腰管片的接头处;三维非连续接触计算模型可以更好地反应管片接头对内力的影响和管片混凝土材料的受力及变形特性;模型中盾构管片接头处接触单元的设置消除了其他模型中接头刚度差异对计算结果的影响,对盾构管片抗压刚度及抗弯刚度均会产生影响。

混凝土弹塑性损伤帽盖模型参数确定研究

基于连续损伤力学和塑性力学理论形成的弹塑性损伤帽盖模型是一个高级混凝土本构关系模型,但模型涉及的参数过多却给运用造成了不便。对模型参数进行详细解释基础上,采用已有的混凝土材料试验数据给出了其子午线强度参数、帽盖参数、脆性损伤和延性损伤参数取值,大大方便了工程运用。最后以单轴拉伸和单轴压缩为例数值演示了模型基本力学特性。

水泥加固土的弹塑性损伤模型

水泥加固土作为一种弹塑性介质,但很难用通常的弹塑性模型来描述。本文通过对水泥加固土的损伤试验得到的一系列损伤关系曲线的分析,分别推导建立了水泥加固土的弹性与损伤、塑性与损伤本构关系并首次建立了水泥加固土的弹塑性损伤模型。通过与损伤试验结果的对比,证明了本文所建立的水泥加固土的弹塑性损伤模型是合理的。

非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型研究

以复合体损伤理论为基础,建立了非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型。模型可反映原状膨胀土的三个主要特征(胀缩性、裂隙性和超固结性)造成的独特的力学特性,即,低围压情况下的软化和剪胀,围压较高时的硬化和剪缩以及干湿变化时的反复胀缩特性。模型共包含23个参数,都可由试验测定。

片麻状花岗岩热黏弹塑性损伤蠕变模型及应用研究

随着地下工程开挖深度的增加,高地温和高地应力将导致岩石产生显著的蠕变变形,为保证地下洞室的施工和运行安全,研究温度-应力耦合作用下岩石蠕变力学特性具有十分重要的作用。以新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞高温段的片麻状花岗岩为研究对象,通过不同温度和应力作用的三轴蠕变试验,获得了考虑不同温度影响的片麻状花岗岩的蠕变变形规律。基于蠕变试验成果,提出了考虑热力耦合作用的热黏弹塑性损伤蠕变模型,建立了片麻状花岗岩的热黏弹塑性损伤蠕变本构关系,推导了其一维和三维热黏弹塑性损伤蠕变方程,有效反演获得岩石的蠕变力学参数,揭示出典型高、中、低应力状态下温度对片麻状花岗岩蠕变特性的影响规律,研究成果为工程长期稳定性分析提供了重要理论依据。

大理岩破坏过程的三维细观弹塑性损伤模拟研究

为了考虑岩石细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出细观弹塑性损伤模型,采用有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。提出细观破坏单元网格消去法,利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;模拟二维、三维大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏试验,得到岩石非线性应力–应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明,三维破裂比二维破裂更为复杂,本文所建模型可以有效地模拟岩体的三维破坏过程。

一种改进的软土结构性弹塑性损伤模型

提出了一个改进的土结构性弹塑性损伤模型。该模型引入修正剑桥模型的屈服函数来描述损伤土特性,并建议了新的损伤演化规律。由于剑桥模型本身建立在大量重塑土试验的基础上,故能较精确地描述完全损伤土的特性;此外,其参数有较为完善的测定方法,且积累了丰富的经验值。该改进的模型能较好地应用于工程实践,并易于推广。

岩石弹塑性损伤本构模型建立及在隧道工程中的应用

在实际隧道施工过程中,隧道开挖引起地下岩体应力重分布使得围岩的微裂纹扩展损伤,并伴随有塑性流动变形。在地下水环境中对于孔隙和微裂隙围岩介质受到应力作用时,在内部将产生高孔隙水压力影响岩石的力学性质,也改变了围岩的破坏模式。为了研究损伤引起的刚度退化和塑性导致的流动两种破坏机制的耦合作用,从弹塑性力学和损伤理论的角度出发,同时引入修正有效应力原理来考虑孔隙水压力的作用,建立基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性损伤本构模型;针对该本构模型推导了孔隙水压力作用下弹塑性损伤本构模型的数值积分算法-隐式返回映射算法,分别对预测应力返回到屈服面的光滑圆锥面或尖点奇异处两种可能的情况给出了详细的描述,隐式返回映射算法具有稳定性和准确性的特点;大多数弹塑性损伤模型中涉及参数多且不易确定的问题,采用反分析方法获得损伤参数,解决了损伤参数不易确定的难题;采用面向对象的编程方法,使用C++语言编制了弹塑性损伤本构求解程序,并对所建立的弹塑性损伤模型和所编程序进行了试验和数值两个方面的验证;最后将其在吉林抚松隧道工程中进行应用,模拟了塑性区和损伤区的发展变化。研究结果表明:所建立的弹塑性损伤本构模型能够较好地描述岩石的力学性能、塑性和损伤变化趋势,所编程序能够进行实际工程问题的模拟,对现场施工给予一定的指导。

岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石I型裂纹弹塑性损伤破坏问题。对比分析表明,宏观尺度研究I型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性。